ХІМІЯ, ФІЗИКА ТА ТЕХНОЛОГІЯ ПОВЕРХНІ

ISSN 2518-1238 (Online), ISSN 2079-1704 (Print)

Метою даного дослідження було визначення впливу вуглецевих нанотрубок (ВНТ) на термічне розкладання та термоокисну деструкцію нанокомпозитів на основі поліефірної смоли за вмісту 0.1, 0.3 і 0.5 мас. %. ВНТ, як характеристики їхньої термостійкості. Визначення продуктів термічного розкладання, їхньої енергії активації десорбції, сумарної кількості летких продуктів розпаду композитів визначались методом термопрограмованої десорбційної мас-спектрометрії (TPDMS). Закономірності термоокисної деструкції полімерних композитів досліджували методами дериватографії (Q‑1500D). Показано, що додавання 0.1 % мас. ВНТ в смолу зміщує температури максимумів термограм (Т_м) в область більших значень, збільшує енергію активації термічної деcорбції для всіх фрагментів продуктів деструкції в інтервалі m/z 18–104, в порівнянні з вихідною смолою, тобто свідчить про збільшення термічної стійкості цього композиту. Збільшення вмісту ВНТ до 0.3, 0.5 мас. % зміщує Т_м до нижчих значень, помітно зменшує енергію активації десорбції для, практично, всіх фрагментів полімера.

Якщо за вмісту 0.1 мас. % ВНТ в полімерній матриці відбувається структурне «впорядкування» за можливими механізмами, то збільшення вмісту ВНТ, навпаки призводить до оборотного ефекту, за рахунок порівняно великого вмісту ВНТ, недостатньої їхньої деагломерації та нерівномірності розподілу.

Термоокиснювальна деструкція ненаповненої смоли має два характерних мінімуми при 383 і 439 °C (ендотермічні реакції термоокисного розкладання). Додавання ВНТ у кількості 0.1, 0.3, 0.5 мас. % зміщує температури в бік вищих значень. До 385 °С відбувається плавлення зразків з подальшим спалюванням з максимумами температури при 443 і 534 °С. Ймовірно, наявність другого піку (534 °С) вказує на можливість утворення в полімері певного відсотка більш упорядкованої фази. Термоокисне розкладання композитів характеризується підвищенням початкових температур фазових переходів. Ймовірно, це пов’язано з наявністю в полімерній матриці вуглецевого нанонаповнювача, який підвищує теплоємність і теплопровідність композиту, можливо, ініціює центри зшивання вільних (незв’язаних) полімерних ланцюгів, що, у свою чергу, викликає зниження кінетичної рухливості в полімері.

1. Zeng Yukuna, Xue Yuanb, Gong Xunc, Gao Xid, Jiaqianga E., Chen Jingweia, Leng Erwei. Pyrolytic performance and kinetics study of epoxy resin in carbon fiber reinforced composites: Synergistic effects of epoxy resin and carbon fiber. J. Anal. Appl. Pyrolysis. 2023. 176: 106255. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2023.106255

2. Junjie Chen and Longfei Yan. Effect of carbon nanotube aspect ratio on the thermal and electrical properties of epoxy nanocomposites. Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures. 2018. 26(11): 697. https://doi.org/10.1080/1536383X.2018.1476345

3. Delong He, Benhui Fan, Hang Zhao, Minhao Yang, Hui Wang, Jintao Bai, Wenyao Li, Xiying Zhou, Jinbo Bai. Multifunctional polymer composites reinforced by carbon nanotubes-Alumina hybrids with urchin-like structure. Mater. Today Commun. 2017. 11: 94. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2017.03.001

4. Gorelov B., Gorb A., Polovina O., Wacke S., Czapla Z., Kostrzewa M., Ingram A. Filler's impact on structure and physical properties in polyester resin-oxide nanocomposites. Ads. Sci. Technol. 2018. 36(1-2): 549. https://doi.org/10.1177/0263617417706797

5. Ewa Kicko-Walczak. Studies on the mechanism of thermal decomposition of unsaturated polyester resins with reduced flammability. Polym. Polym. Compos. 2004. 12(2): 127. https://doi.org/10.1177/096739110401200204

6. Subasi A., Subasi S., Bayram M., Sarı A., Hekimoğlu G., Ustaoglu A., Gencel O., Ozbakkaloglu T. Effect of carbon nanotube and microencapsulated phase change material utilization on the thermal energy storage performance in UV cured (photoinitiated) unsaturated polyester composites. J. Energy Storage. 2023. 61: 106780. https://doi.org/10.1016/j.est.2023.106780

7. Dyachkova T.P., Khan Y.A., Burakova E.A., Galunin E.V., Shigabaeva G.N., Stolbov D.N., Titov G.A., Chapaksov N.A., Tkachev A.G. Characteristics of epoxy composites containing carbon nanotubes/graphene mixtures. Polymers. 2023. 15(6): 1476. https://doi.org/10.3390/polym15061476

8. Moujdin I.A., Totah H.S., Abulkhair H.A., Alsaiari A.O., Shaiban A.A., Organji H.A. Development of low shrinkage curing techniques for unsaturated polyester and vinyl ester reinforced composites. Materials. 2022. 15(9): 2972. https://doi.org/10.3390/ma15092972

9. Nik Noor Idayu Binti Nik Ibrahim, Ahmad Zafir Romli, Muhammad Mustakim Mohd Ghaztar. The physical modification of glass fibre reinforced unsaturated polyester composite with P84 polyimide and multi-wall carbon nanotubes for pipeline applications. In: Invention, Innovation & Design Exposition (IIDEX) (2017).

10. Sameh Attia, Essaies Najoua, Barhoumi Haifa, Hamza Bouraoui, Ezzedine Srasra.Thermal and mechanical performances of unsaturated polyester composites reinforced by natural fillers. Chemistry Africa. 2023. 7: 1523. https://doi.org/10.1007/s42250-023-00839-5

11. Petersen E.J., Flores-Cervantes D.X., Bucheli T.D., Elliott L.C.C., Fagan J.A., Gogos A., Hanna Sh., Kägi R., Mansfield E., Montoro Bustos A.R., Plata D.L., Reipa V., Westerhoff P., Winchester M.R. Quantification of carbon nanotubes in environmental matrices: Current capabilities, case studies, and future prospects. Environ. Sci. Technol. 2016. 50(9): 4587. https://doi.org/10.1021/acs.est.5b05647

12. Shi-fang Ren, Li Zhang, Zhi-hong Cheng, Yin-long Guo. Immobilized carbon nanotubes as matrix for MALDI-TOF-MS analysis: Applications to neutral small carbohydrates. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2005. 16(3): 333. https://doi.org/10.1016/j.jasms.2004.11.017

13. Han M., Sunner J. An activated carbon substrate surface for Laser Desorption Mass Spectrometry. Soc. Mass. Spectrom. 2000. 11: 644. https://doi.org/10.1016/S1044-0305(00)00129-X

14. Bokobza L. Multiwall carbon nanotube elastomeric composites: A review. Polymer. 2007. 48: 4907. https://doi.org/10.1016/j.polymer.2007.06.046

15. Zare Y. Study of nanoparticles aggregation/agglomeration in polymer particulate nanocomposites by mechanical properties. Composites, Part A. 2016. 84: 158. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2016.01.020

16. Malagù M., Goudarzi M., Lyulin A., Benvenuti E., Simone A. Diameter-dependent elastic properties of carbon nanotube-polymer composites: Emergence of size effects from atomistic-scale simulations. Composites, Part B. 2017. 131: 260. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2017.07.029

17. Cen-Puca M., Oliva-Avilés A.I., Avilés F. Thermoresistive mechanisms of carbon nanotube/polymer composites. Physica E. 2018. 95: 41. https://doi.org/10.1016/j.physe.2017.09.001

18. Yang X., Zou T., Shi Ch., Liu E., He Ch., Zhao N. Effect of carbon nanotube (CNT) content on the properties of in-situ synthesis CNT reinforced Al composites. Mater. Sci. Eng., A. 2016. 660: 11. https://doi.org/10.1016/j.msea.2016.02.062

19. Sementsov Yu.I., Kartel N.Т. The influence of small concentrations of carbon nanotubes on the structuralization in matrices of different nature. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2019. 10(2): 174. https://doi.org/10.15407/hftp10.02.174

20. Lozovyi F., Ivanenko K., Nedilko S., Revo S., Hamamda S. Thermal analysis of polyethylene + X% carbon nanotubes. Nanoscale Res. Lett. 2016. 11(1): 7. https://doi.org/10.1186/s11671-016-1315-y

21. Avramenko T.G., Khutoryanskaya N.V., Naumenko S.M., Ivanenko K.O., Hamamda S., Revo S.L. Effect of carbon nanofillers on processes of structural relaxation in the polymer matrixes. Springer Proceedings in Physics. 2019. 221: 293. https://doi.org/10.1007/978-3-030-17759-1_20

22. Najmi L., Zhong Hu J. Effects of carbon nanotubes on thermal behavior of epoxy resin composites. Compos. Sci. 2023. 7(8): 313. https://doi.org/10.3390/jcs7080313

23. Plata D.L., Reddy Ch.M., Gschwend Ph.M. Thermogravimetry-mass spectrometry for carbon nanotube detection in complex mixtures. Environ. Sci. Technol. 2012. 46(22): 12254. https://doi.org/10.1021/es203198x

24. Wang X., Zhao L., Liu J. Carbon nanotube/graphene composites as thermal interface materials for electronic devices. Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures. 2019. 27(12): 907. https://doi.org/10.1080/1536383X.2019.1660647

25. Mohd Nurazzi N., Asyraf M.M., Khalina A., Abdullah N., Sabaruddin F.A., Kamarudin S.H., Ahmad S., Mahat A.M., Lee C.L., Aisyah H. Fabrication, functionalization, and application of carbon nanotube-reinforced polymer composite: An Overview. Polymers. 2021. 13: 1047. https://doi.org/10.3390/polym13071047

26. Banks-Sills L., Shiber D.G., Fourman V., Eliasi R., Shlayer A. Experimental determination of mechanical properties of PMMA reinforced with functionalized CNTs. Composites, Part B. 2016. 95: 335. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2016.04.015

27. Bauhofer W., Kovacs J.Z. A review and analysis of electrical percolation in carbon nanotube polymer composites. Compos. Sci. Technol. 2009. 69(10): 1486. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2008.06.018

28. Wesdemiotis C., Williams-Pavlantos K.N., Keating A.R., McGee A.S., Bochenek C. Mass spectrometry of polymers: A tutorial review. Mass Spectrometry Reviews. 2024. 43(3): 427. https://doi.org/10.1002/mas.21844

29. Shi-fang Ren, Li Zhang, Zhi-hong Cheng, Yin-long Guo. Immobilized carbon nanotubes as matrix for MALDI-TOF-MS analysis: Applications to neutral small carbohydrates. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2005. 16(3): 333. https://doi.org/10.1016/j.jasms.2004.11.017

30. Montaudo G., Lattimer R.P. Mass spectrometry of polymers. (Washington, D.C., 2002). https://doi.org/10.1201/9781420037753

31. Gorelov B.M. Effect of oxide nanofillers on thermal degradation of unsaturated polyester resin. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2011. 2(2): 201. [in Russian].

32. Makki M.S.I., Abdelaal M.Y., Bellucci S., M.A. Salam. Multi-walled carbon nanotubes/unsaturated polyester composites: mechanical and thermal properties study. Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures. 2014. 22(9): 820.https://doi.org/10.1080/1536383X.2012.742427

33. Pączkowski P., Sigareva N.V., Gorelov B.M., Terets M.I., Sementsov Y.I., Kartel M.T., Gawdzik B. The influence of carbon nanotubes on the physical and chemical properties of nanocomposites based on unsaturated polyester resin. Nanomaterials. 2023. 13(23): 2981. https://doi.org/10.3390/nano13232981

34. Totah H.S., Moujdin I.A., Abulkhair H.A., Albeirutty M. Influence of inner gas curing technique on the development of thermoplastic nanocomposite reinforcement. Materials. 2023. 16(22): 7179. https://doi.org/10.3390/ma16227179

35. Prawitasari V., Ujianto O., Juwono A. Effect of multi walled carbon nanotube (MWCNT) and mixing conditions on unsaturated polyester (UP) physical properties. In: The 1st Materials Research Society Indonesia Conference and Congress. (8-12 October 2017). P. 432. https://doi.org/10.1088/1757-899X/432/1/012048

36. Cao X., Lee L.J. Control of shrinkage and residual styrene of unsaturated polyester resins cured at low temperatures: I. Effect of curing agents. Polymer. 2003. 44(6): 1893. https://doi.org/10.1016/S0032-3861(03)00014-4

37. de Coss-Martínez R., Quinones G., Jazmín W., Doporto-Valladares A. Influence of carbon nanotubes diameter on thermal conductivity of polyester based nanocomposites. In: APS March Meeting. Bulletin of the American Physical Society. (February 27 - March 2 2012; Boston, Massachusetts).

38. Ordonez-Miranda J., Vales-Pinzon C., Alvarado-Gil J.J. Thermal conductivity of composites with carbon nanotubes: theory and experiment. Materials Research Society symposia proceedings. Materials Research Society. 2013. https://doi.org/10.1557/opl.2012.1605

39. Luminita C., Iliuta V., Andrei G. Effect of single-wall carbon nanotubes on thermal properties of polyester composites. The Annals of "Dunarea de Jos". 2013. 2(1): 18.

40. Luminita C., Andrei G., Dima D., Murarescu M. Specific heat and thermal expansion of polyester composites containing singlewall -, multiwall - and functionalized carbon nanotubes. Dig. J. Nanomater. Biostruct. 2013. 8(4): 1611.

41. Ushakova L., Ivanenko K., Sigareva N., Terets М., Kartel М., Sementsov Y. Influence of nanofiller on the structure and properties of macromolecular compounds. Phys. Chem. Solid State. 2022. 23(2): 394. https://doi.org/10.15330/pcss.23.2.394-400

42. Ivanenko K.O., Ushakova L.M., Avramenko T.G., Revo S.L., Kartel M.T., Sementsov Yu.I. Influence of Nanofillers Concentration on Physical and Mechanical Character-istics of Their Polymer Composites. In: Nanomaterials and Nanocomposites, Nanostructure Surfaces, and Their Applications. V. 246. (Springer Proceedings in Physics, Springer, Cham., 2021). P. 685. https://doi.org/10.1007/978-3-030-51905-6_46

43. Halpin J.C., Kardos J.L. The Halpin-Tsai equations: A review. Polym. Eng. Sci. 1976. 16(5): 344. https://doi.org/10.1002/pen.760160512

44. Zhirikova Z., Kozlov G., Aloev V. Nanocomposite - polymer/carbon nanotubes: prediction of the degree of amplification. Nanoindustry. 2012. 33: 38. [in Russian].

45. Haque A., Ramasetty A. Theoretical study of stress transfer in carbon nanotubes reinforced polymer matrix composites. Compos. Struct. 2005. 71: 68. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2004.09.029

46. Tian Y., Zhang H., Zhang Z. Influence of nanoparticles on the interfacial properties of fiber-reinforced-epoxy composites. Composites, Part A. 2017. 98: 1. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2017.03.007

47. Melezhik A.V., Sementsov Y.I., Yanchenko V.V. Synthesis of fine carbon nanotubes on coprecipitated metal oxide catalysts. Russ. J. Appl. Chem. 2005. 78: 917. https://doi.org/10.1007/s11167-005-0420-y

48. Technical specifications: "Carbon nanotubes" (TU U 24.1-03291669-009:2009. № 02568182/095617). [in Ukrainian].

49. Pagonis V., Kitis G., Furetta C. Numerical and practical exercises in thermoluminescence. (Springer New York, NY, 2006).

50. Woodruff D., Delchar T. Modern methods of surface research. (Мoscow: Myr, 1989). [in Russian].

51. Redkina A.V., Konovalova N.D., Khomenko K.N., Belokopytov Ju.V. Synthesis from titanaerosil mesoporous of systems of TiO2-SiO2 with supported V2O5, their physical-chemical and catalytic properties. I. Hydrothermal synthesis, acidic and catalytic properties of Ti-MCM-41 in the process of dehydrogenation of propane. Catalysis and Petrochemistry. 2012. 21: 1. [in Russian].

52. Nikolaev A.F. Synthetic polymers and plastic masses based on them. (Moscow: Khimiya, 1964). [in Russian].

53. Tager A.A. Physics and chemistry of polymers. (Мoscow: Publisher, 1988). [In Russian].

54. Gorelov B., Korotchenkov O., Nadtochniy A., Polovina O., Sigareva N. Impact of titanium and silica/titanium fumed oxide nanofillers on the elastic properties and thermal decomposition of a polyester resin. J. Appl. Polym. Sci. 2015. 132(22): 42010. https://doi.org/10.1002/app.42010